重庆双槐电厂CCS讲义资料Word文档格式.docx
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被控量信号以反馈方式送入调节器的输入端，作为不断引起控制作用的依据，而控制的目的是尽可能地减少被控量与其设定值之间的偏差，因此，信号是沿控制系统的闭合回路传递的。
如果系统中不存在被被控量的反馈回路，“调节器”只是根据直接或间接反映扰动输入的信号来控制，例如前馈控制系统，这种控制系统被称为开环系统。
生产过程中，开环控制和闭环控制常常配合使用，组成复合控制系统，例如前馈、反馈控制系统。
（3）按控制系统闭环回路的数目来分，有单回路控制系统和多回路控制系统，例如机组负荷协调控制系统就是一种多回路控制系统。
所有各种类型的控制系统中，最基本、也是目前热工生产达程中用得比较广泛的，是闭环、恒值控制系统。
3．自动调节器的典型动态特性
在最基本的热工自动控制系统中，自动调节器和被控对象组成一个相互作用的闭合回路。
在这种系统中，调节器根据被控量Y与设定值Z的偏差信号e，而使执行机构按一定的规律动作，从而引起控制机关位置m的变化。
目前的调节器的动态特性一般由三种典型调节作用组成，它们是比例、积分和微分作用，即P、I、D作用。
（1）比例作用（P作用）
比例作用的动态方程为m=ke，K称为比例系数，
称为比例带。
比例作用的规律是，偏差e愈大，控制机关位移量m也愈大，偏差e的变化速度快，控制机关的移动速度也快。
当采用P作用调节器时，控制机关位置m与被控量或相关变量的数值之间必然存在着一一对应的关系，因此，在不同负荷时（即对应不同的控制机关位置），被控量与设定值之间的偏差也不同，也就是说，调节过程结束时，被控量总是有偏差的。
合适确定比例带，一般总能使系统达到稳定，δ越大，对提高稳定性愈有利，但调节过程速度放慢，静态时被控量与设定值偏差也增大。
（2）积分作用（I作用）
积分作用的动态方程式为
，从该式可以看出，如果被控量不等于给定值，即
，执行机构就不会停止动作，只有在e=0，即偏差消失时，执行机构才停止动作，因此，调节过程结束时，被控量必定是无差的。
在调节过程中，积分作用也存在着不合理的一面，即如果参数整定不当，会使调节过程发生振荡。
（3）微分作用（D作用）
微分作用的动态方程式是
，从上式可以看出，调节过程结束时，偏差e不应再不会，
必须等于零，所以控制机构位置不会有变化，这样就不能适应负荷的变化，因此，仅有微分作用是不能执行控制任务的。
但微分作用的特点是其控制作用与偏差的变化速度成正比。
在调节过程的开始阶段，被控量Y虽然偏离设定值不大，但如果其变化速度较快，微分作用可以使执行机构产生一个较大的位移。
也就是说D作用比P、I作用超前，它加强了控制作用，限制了偏差的进一步增大，所以微分作用可以有效地减少动态偏差。
（4）比例、积分、微分（PID）调节器
比例、积分、微分调节器的动态方程式为
δ称为比例带，Ti称为积分时间常数，Td称为微分时间常数。
这种调节器有比例、积分、微分作用的特点，因此，在采用这种调节器时，只要三个作用配合得当，就可以避免调节过程过分振荡，可得到无差的控制结果（积分作用），又能在调节过程中加强控制作用，减少动态偏差（微分作用）。
调节过程的品质应从三个方面来衡量，即稳定性，准确性（动态、静态偏差），以及快速性（调节时间）。
不能认为稳定性越高，调节品质就越好，在整定P、I、D参数时，应从稳定性、准确性、快速性三方面综合考虑。
4．主要的热工对象特性
对象特性可以用静态特性和动态特性来描述。
静态特性描述的是对象平衡时输出与输入之间的关系，而动态特性是描述对象动态变化过程中输出与输入之间的关系。
分析被控对象的动态、静态特性有利于设计性能优良的控制系统。
对象特性可以通过理论计算、试验方法获得。
后面各节在对系统进行分析时，将对某些对象的对象特性进行分析。
5．跟踪和无扰动切换
自动调节系统通常可以有两种或多种运行方式，例如手动、自动方式；
采用DCS后，为了实现最优的控制性能和实现全程自动控制，对于同一个被控量，可能有多种控制方案。
当进行方式切换或方案切换时，应该是无扰动的。
为了实现无扰动切换，就必须采用跟踪技术。
6．提高CCS可靠性及控制性能的措施
（1）为了提高测量信号的可靠性，除了在计算机硬件上采取必要措施（如提高转换精度、采用抗干扰措施等）外，还用软件对测量进行处理。
例如（质量检查、双测量处理、三测量处理）
（2）MRE，切手动。
在出现影响投入自动的信号后，为了安全起见，应将系统强切到手动方式。
（3）PLW，优先降。
当出现某些异常或特殊情况时，将不再采用正常的控制信号，而是自动地降低控制输出。
（4）PRA，优先增。
与PLW相似，但，是增加控制输出。
（5）BI，闭锁增。
负荷协调控制系统中采用的一种功能。
当某一被调量，例如燃料量，跟不上燃料量需求指令的变化，且差距越来越大时，则闭锁机组负荷指令的增加。
（6）BD，闭锁减。
与BI相反。
（7）RU、RD，迫升/迫降。
负荷协调控制系统在出现异常时的一种升/降负荷的行为。
（8）RB，快速减负荷。
在出现主要辅机跳闸时，负荷协调控制系统自动快速降低负荷。
8．SAMA图
CCS用SAMA图来描述控制策略。
以下是CCSSAMA图图例。
9．SAMA图中几个重要缩写及含义
LWI禁止减。
这时，无论是手动还是自动，都不能减小控制输出。
当出现异常情况时，如果继续减小控制输出会使控制性能进一步恶化的话，则应禁止减小控制输出。
RAI禁止增。
与LWI相似，但，是不允许增加控制输出。
MRE切手动。
ARE切自动。
PLW优先降，又称减超弛。
PRA优先增，又称增超驰。
另外：
在PID控制器旁标有direct或indirect，direct表示对PV－SP进行PID运算，indirect则表示对SP－PV进行运算，目的是实现负反馈。
第二节除氧水位控制系统
一、过程描述
图2－1凝结水系统流程
如图2－1所示，凝水经过凝结水泵升压，送往轴封加热器，在轴封加热器的出口，有一个流量元件，用于测量凝结水流量，此后，再经过除氧器水位控制阀送往8、7、6、5号低加，进入除氧器。
在除氧器水位控制阀旁有一个旁路阀，由SCS控制，这是一可中间停的电动门，用于在凝结水量不够时，协助除氧器水位控制阀向除氧器补水。
除氧器贮水箱中的水由给水泵升压，成为给水，送往3、2、1号高加，在高加出口，设有流量元件，用于测量进入锅炉汽包的给水量。
二、系统的任务，影响除氧器水位的因素及控制手段
1．任务
该系统的任务是维持氧除器的水位为设定值。
氧除器的水位过高会影响汽轮机安全运行（汽机进水），氧除器的水位过低，则可能导致给水泵汽蚀，影响给水泵的安全。
2．影响除氧器水位因素：
a.凝结水量
b.给水量（包括过热、再热器减温水）
c.抽汽量（以及进入除氧器的辅汽量）
d.来自高加的疏水量
其中给水量代表流出除氧器的质量，而凝结水量、抽汽和疏水是进入除氧器的质量，当进入和流出不平衡时，则导致除氧器水位变化。
3．控制水位的手段
在上述影响除氧器水位的因素中，b给水量是汽包水位控制的要求，c抽汽是不加控制的，d疏水随高压加热器运行情况而变，因此可以用作控制除氧器水位的变量，只有a凝结水量和b给水量。
在本系统中，将通过控制除器水位控制阀（又称凝结水量控制阀）的开度，控制进入除氧器的凝结水流量，继而控制除氧器水位。
三、控制原理
图2－2除氧器水位控制原理图
除氧器水位控制系统原理如图2－2所示，分析如下。
1．正常情形
（1）由两个液位变送器测出除氧器的水位，经SM2XMTRS选择后，获得PV信号，并用H/算法，判别除氧器水位是否过高。
（2）设定值SP由运行人员在M/A站上设定。
（3）当给水流量小于30％时，由单冲量（1E）PI调节器①自动控制水位，最终使PV＝SP。
（4）当负荷大于30％时，将自动选择三冲量方案，切换是自动、无扰的。
此时，凝结水流量控制器PID②根据流量元件测得的凝结水流量反馈信号的变化，自动地改变除氧器水位控制阀的开度，随时使凝结水流量与其设定值相一致，这样有利于克服凝结水量的自发扰动。
给水量作为前馈信号（包括减温水量），被当作凝结水流量控制器的设定值的一部分，当给水流量增加时，凝结水量设定值随之增加，从而使凝结水量控制器PID②的输出增加，凝结水控制阀门将开大，增加凝结水量（可将这一过程称为粗调）。
这样可以使凝结水量快速响应给水量的变化。
可以说，如果说进入除氧器的凝结水量与流出除氧器的给水量同步变化的话，则除氧器水位将变化不大，但由于还存在抽汽和高加疏水的影响，所以除氧器水位仍然会有所变化，对于这个变化，三冲量控制器（3E控制器、也称为主调节器）PID③的输出将发生变化，该调节器的输出，可认为是凝结水流量控制器PID②的设定值的另一部分，PID②将根据其设定值，对凝结水量作进一步调整。
可以看出，最终将由PID③消除水位偏差（这一过程可称为细调）。
所以这是一个串级三冲量控制方案，此时，
若：
流量降到30％以下
或给水量信号质量坏
或凝结水流量质量坏
则切向单冲量控制。
这一切换也是自动且无扰的。
2．特殊情形
（1）当除氧器水位过高时（H/算法提供），将超驰关闭凝结水量控制阀。
（2）当凝结水控制阀开足后，若仍不能满足除氧器对凝结水量的要求，则利用SCS开旁路门。
3．M/A站的方式
当:
a.除氧器水位高；
b.阀指令与实际阀位偏差大；
c.过程变量与设定值偏差大，即SP－PV过大；
d.*除氧水位测量BQ时，
则切手动（MRE）
4．M/A站指示
PV：
除氧器水位SP：
除氧器水位设定值CO：
水位控制阀位指令
第三节汽包水位控制（给水控制）系统
如图3－1所示，本机组配了三台给水泵：
A和B为汽动泵（TDBFP），C为电动泵（MDBFP），电动给水泵作为汽动给水泵的备用泵，也作为启动给水泵。
三台给水泵的转速都是可调的。
每台泵的容量可维持机组50％负荷运行。
图3－1给水系统流程图
电泵转速通过液力耦合器调整，汽泵通过BFPT控制器控制小机进汽，从而调节转速。
给水泵打出的水进入给水母管，一部分被用作过热器的减温水，另外的部分经过3、2、1号高加进入锅炉省煤器、汽包，在高加的出口，安装有流量测量元件，可测出进入汽包的给水量。
在高加出口、省煤器的入口处，设计了一组阀门。
（1）主给水门，正常运行时全开。
（2）启动阀1、2，正常运行中一般不用
（3）小流量调节门及前后的电动门，又可称为启动旁路门。
二、系统的任务，影响水位的因素及调节手段
1．任务：
汽包水位过高会影响汽水分离效果，使蒸汽带水；
汽包水位过低，会影响汽水循环，甚至干锅。
汽包水位控制系统的任务就是维持锅炉汽包水位为设定值，实现全程水位自动控制。
2．影响因素与调节手段
影响水位的因素主要有：
（1）流出汽包的蒸汽流量
（2）放水或排污量
（3）进入汽包的给水流量
从质量平衡角度看，当流出汽包的蒸汽流量、排污、放水量和进入汽包的给水量不平衡时，汽包水位将发生变化。
（4）汽包压力的变化。
汽包压力的变化可能会导致“虚假”水位现象。
例如：
当汽包压力Pd下降时，汽包中的饱和水就会大量汽化，产生大量汽泡，使得水位升高，往往是由于汽轮机用汽量D增加导致Pd下降，即D↑导致H↑。
而从质量平衡角度看，流出汽包的质量增加，应使水位下降，所以这种水位上升现象是一种“虚假”水位现象。
同样由于用汽量D减少，Pd升高，将导致水位暂时下降（也是虚假水位现象）。
上述几种主要因素中，蒸汽量取决于外界负荷的要求，汽压的变化则是燃料量、蒸汽量等综合影响的结果，而只有给水量是一个可控制的量，可以用作汽包水位调节手段。
汽包对象特性如图3－2：
图3－2汽包对象特性
由于这样一种特性，当只用一种简单的PI调节，即只根据水位调节时，就会导致错误的动作。
D↑导致H↑，而H↑要求给水W↓，这将使得D与W严重不平衡，所以接下来的是水位快速回落，系统很难稳定。
所以汽包水位控制系统一般都设计成三冲量串级控制方案。
现已经确定，给水流量是调节手段，那么，如何调节给水量呢？
可用两种方法：
一是节流（阀门）调节。
可通过启动旁路阀调节给水量，二是转速调节。
如图3－3所示，当给水泵定速运行时，其P－Q线不动，假定原工作点在A（流量为QA），若关小阀门，管道阻力特性线则上移，工作点将上移至B，流量变为QB，从而实现了流量的调节。
节流调节的缺点是节流造成节流损失，会降低机组的效率。
所以，大容量机组在正常运行时，都采用转速调节，即通过调整给水泵转速调节给水量。
当机组正常运行时，主给水门将全开，旁路门全关，管道阻力特性不变。
假定原工作点为A，流量显QA，转速为nA，若升高转速到nB，则泵的P－Q线将上移，工作点移到B，此时流量变为QB，所以也实现了流量控制。
图3－3给水泵流量－压力特性
三、控制原理
1．主要信号的获取
（1）水位信号
图3－4平衡容器结构
汽包水位测量采用如图3－4所示的平衡容器。
图中△P为差压，γa为平衡容器中饱和水的比重，可近似认为不变，近似为50度时水的比重，γ’和γ"
分别为汽包中的饱和水和饱和蒸汽的比重，h为汽包水位。
因此根据流体静力学原理有
△P=L×
γa-[hγ’+（L-h）×
γ"
]
=L（γa-γ"
）-h（γ’-γ"
）
∴h=[-△P+L（γa-γ"
）]/（γ’-γ"
）
γ’和γ"
都是汽包压力的函数，
记
L（γa-γ"
）=f1（P）
（γ’-γ"
）=f2（P）
则，h=[-△P+f1（P）]/f2（P）
图3－5汽包水位的求取
（2）主蒸汽流量信号：
流出锅炉的主蒸汽流量，包括进入汽轮机的蒸汽和进入高压旁路的蒸汽流量。
根据费留格尔公式，流经汽轮机汽流量是汽机一级压力函数，因此不再需要在主蒸汽管道上加装流量测量元件，从而可以避免用测量孔板而产生的节流损失。
主蒸汽流量计算原理如图3－6所示。
图3－6主汽流量的计算
（3）给水流量
图3－7总给水流量的计算
总给水流量信号按照图3－7的原理求得。
计算总的给水流量的目的，是为了与前述主蒸汽流量相比较，因为蒸汽流量中不但包括流出汽包的蒸汽量还包括减温水转换成的蒸汽量，所以，为了反映进、出汽包的水、汽质量的平衡，这里总的给水流量不仅包括从主给水管道测出的进入锅炉汽包的给水流量，还应包括减温水量，每一只减温水阀的流量都由测量元件测出。
减温水量＝1级＋2级左＋2级右＋3级左＋3级右。
2．汽包水位设定值SP由运行人员从启动控制阀（或称为启动旁路阀）的M/A站上给定。
3．单冲量控制方案
启动之初，主给水门关闭，启动阀1、2也关闭，启动控制阀前后的电动门打开（参见图3－1），此时，电泵定速运行，通过启动控制阀的节流作用，调节给水流量控制水位。
原理如图3－8所示。
图3－8给水控制系统原理图
此时，启动控制阀控制器PID①对设定值和水位值之间的偏差进行PID运算，自动控制指令经启动控制阀M/A站输出，去控制启动控制阀的开度，改变进入汽包的给水，最终使水位等于定值。
随着负荷的开高，要求的给水量增加，该启动控制阀逐渐开大，到了一定开度以后，调节性能变差，这时应该手动逐渐打开主给水门（通过SCS），或者，当负荷增加，控制阀开大以后，当发现控制阀已无法再对给水进行调节时，手动升高电泵转速，提高压头，增加给水，此时，启动控制阀仍然可以自动地将水位维持在设定值上。
随着负荷继续升高，给水压力已升得较高，阀门承受的节流压差也越来越大，当启动控制阀门已开到90％以后，可以将电动给水泵转速控制投自动。
给水控制由阀门节流调节方式变成了给水泵转速调节方式。
此时单冲量控制器PID②将对水位与定值之间的偏差进行计算，PID②的输出经电泵M/A站，输出到电动给水泵勺管控制机构，自动调整电泵转速，PID②最终使水位等于定值。
在电泵转速控制投自动的同时，启动控制阀M/A站,自动地切成手动,以防止责任不分,互相干扰.
如前所述,随负荷升高,节流加强,所以此时应手动打开主给水门,作为调节型阀门,不能长期处于一个高温高压环境中，所以当主给水门全开后，则发出一个脉冲,超驰关闭启动控制阀。
4．三冲量控制方案
负荷继续升高后，仅用PID②这个单冲量调节器，已难以保证调节品质，当负荷（蒸汽流量）大于30％以后，将自动采用三冲量控制方案。
PID调节器③（又称为给水流量调节器）接受给水流量反馈信号，当给水流量由于扰动而发生波动时，该调节器会快速地调节泵的转速，有效克服给水波动。
用蒸汽流量信号作为给水流量调节器PID③的设定值的一部分，是为了使进入锅炉的给水量与流出锅炉的蒸汽量随时保持平衡。
（不严格地讲，只要能保持两者平衡，就能保持水位不变），这样可以有效地克服虚假水位对调节品质的影响。
为了最终使水位能保持在定值上，PI调节器④（称为三冲量水位调节器）将对水位与其定值的偏差进行PI运算，其输出成为给水量设定值的另一部分。
PI调节器④最终将水位维持在设定值（细调）。
5．小机的投运
（1）随着负荷进一步升高，则需启小机。
逐步升高小机转速，升高泵的出口压头，当转速大于3100RPM时，小机可投入遥控方式，此后，可在DCS上控制转速。
当泵的出口压头接近于给水母管压头时，打开汽泵出口门，并继续手动调节汽泵转速，使汽泵逐渐带负荷，此时汽泵转速缓慢增加注意汽包水位的变化，水位仍将由电泵自动维持。
当汽泵和电泵流量相近时，可将汽泵投自动，此时汽动给水泵将按三冲量方案自动调节。
此后建议再启动第二台汽动泵。
将电动泵转速控制M/A站切手动，逐渐降低电泵转速，当其流量较低时，关闭其出口门，停电泵（若要将其作为备用泵，出口门可以不关）。
为了使两汽泵的负荷均衡，所以用了MASTER算法。
当电泵跳闸时，勺管指令超驰至0，同样，当小机跳闸时，到小机去的指令超驰至0（PLW）。
四、站方式
1．在启动控制阀M/A站
当下列任一条件出现时切手动
a.MFT
b.水位测量BQ
c.主阀全开
d.指令到与实际阀位偏差大
e.电泵M/A站投入自动
f.汽泵A或汽泵B投入自动
2．电泵M/A站
当下列任一条件出现时，切手动：
c.电泵跳闸
d.指令与勺管实际位置偏差较大
e.A、B汽泵都投入了自动
f.启动控制阀在自动，且开度小于90％
3．汽动给水泵（A）
a.A泵跳闸
b.BFPT控制器的速度信号BQ
c.速度指令与实际速度偏差大
d.启动控制阀在自动
e.不可能投三冲量（蒸汽流量BQ、给水流量BQ）
f.MFT
g.水位BQ
*h.BFPT控制器不在遥控方式。
第四节过热蒸汽温度控制系统
一、过热汽温控制系统的任务
过热汽温是影响机组安全运行及经济运行的重要参数之一。
过热汽温较高时,机组热效率则相对较高,但过高的过热汽温是汽机金属材料所不允许的。
由于过热器处于锅炉的高温区且承受着高压,尽管它的材料采用的是昂贵的耐高温高压的合金钢,但主汽温的设计值已接近钢材允许的极限温度,强度方面的安全系数也很小,所以过热器金属超温是不允许的.
过热汽温控制的任务是维持过热器出口汽温即主汽温度在允许的范围内,并对过热器实现保护,使管壁金属温度不超过允许的工作范围。
正常运行时,一般过热器温与额定值偏差不超过±
5℃.
三、过热汽温控制系统典型方案
对象结构如图4－3所示。
图4－1采用一级减温的对象结构图
1．串级汽温控制方案
采用喷水减温的串级汽温控制系统方案如图4－4所示。
从被控对象动态特性看,减温水扰动下的汽温动态特性具有一定的延时和较大的惯性,仅采用过热器出口汽温设计的过热汽温控制系统难以满足生产要求,可采用减温器出口的蒸汽温度作为导前信号。
在有关扰动下,尤其是减温水扰动时,减温器出口处的汽温要比过热器出口处的汽温提前反映扰动作用,从而可及时地调整减温水量。
因此,采用导前汽温信号构成串级汽温控制系统可以改善汽温控制的品质。
图4－2喷水减温串级控制方案
在该方案中,只要导前汽温发生变化,副调节器PID1就去改变减温水调节阀的开度,改变减温水量,初步维持后段过热器入口（减温器出口）处的汽温,对后段过热器出口主汽温起粗调作用。
后段过热器出口主汽温由主调节器PID2控制。
只要后段过热器出口汽温未达到设定值,主调节器PID2的输出就不断地变化,使副调节器不断地去改变减温水量,直到主汽温恢复到主汽温设定值为止。
稳态时,减温器出口的汽温,即导前汽温可能与原来数值不同,而主汽温一定等于设定值。
由于导前汽温能比主汽温提前反映扰动对主汽温的影响,尤其是减温水扰动,显然串级控制系统可以减小主汽温的动态偏差。
在串级汽温控制系统中,两个回路的任务及对象的动态特性不同。
副调节器的任务是快速消除落在内回路内的扰动影响,要求控制过程的持续时间较短,但不要求无偏差,故可选用比例调节器,也可用比例、积分、微分调节器。
主调节器的任务是维持主汽温为设定值,一般选用比例、积分、微分调节器。
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